HORNOS INDUSTRIALES

10 HORNOS INDUSTRIALES

10.1 HORNO ROTATIVO

El horno rotativo es un horno continuo, a calentamiento externo y llama libre, cuyo uso principal es

en la fabricación del cemento Portland. También se utiliza en la fabricación de cal, aluminio, hierro

esponja, etc.

10.1.1 Descripción del Horno Rotativo

Consiste en un cilindro de acero, recubierto en su interior por ladrillos refractarios, que se

encuentran ligeramente inclinado respecto a la horizontal (menos de 10 grados) y que gira

lentamente, a velocidades inferiores a 5 r.p.m.

El cilindro cuenta con llantas de acero que se apoyan sobre rodillos. Los rodillos soportan el peso

del horno y su carga. Absorben dicho peso según dos componentes, la de mayor importancia

perpendicular al eje del horno y la otra, de mucho menor valor, paralela al eje del horno. La

componente perpendicular es absorbida en cada llanta mediante un par de rodillos, con ejes

paralelos al horno, denominados de apoyo. La componente axial es soportada por un único rodillo,

de eje perpendicular al del horno, denominado de empuje.

La cantidad de llantas y los consiguientes apoyos depende de la longitud del horno, En general, se

puede señalar que las llantas se encuentran distanciadas entre sí cada 25 o 30 metros.

El movimiento rotativo del horno es impulsado por un piñón acoplado a una corona (rígidamente

vinculada al cilindro de acero). Generalmente el motor que produce la rotación es eléctrico, del tipo

asincrónico o de corriente continua y, a través de un reductor de velocidad, moviliza al piñón.

El calentamiento del horno se efectúa con gases calientes que se producen por combustión, en un

quemador, de gas, fuel-oil, u otros combustibles. Habitualmente el quemador se ubica en el extremo

mas bajo. En la punta opuesta del horno se ubica la chimenea por donde se evacuan los gases del

mismo.

Esto significa que el extremo inferior del horno, donde se ubica el quemador, es la zona más

caliente. Los gases producidos van recorriendo el horno y entregando su calor, saliendo por el

extremo opuesto.

El material a procesar es alimentado por el extremo superior del horno (lado de la chimenea),

mediante dispositivos apropiados tales como roscas transportadoras, rampas, etc. A consecuencia de

la inclinación y rotación del horno, el material se desplaza a lo largo del mismo hasta el extremo

inferior (lado del quemador), donde sale a través de la boca de descarga. El material circula a

contracorriente con respecto al calor.

En los extremos el horno cuenta con cabezales no rígidamente vinculados al cilindro de acero. A

efectos de evitar perdidas de gases y material (en polvo), entre los extremos del cilindro y los

cabezales, se colocan cierres herméticos en forma de laberintos o friccionantes.

10.1.2 Dimensiones de los Hornos Rotativos Industriales

En los hornos rotativos industriales que trabajan en las fabricas de cemento portland nacionales, se

encuentran distintos tamaños de diámetros y largos. Como dato ilustrativo daremos como ejemplo el

más pequeño, ubicado en una planta en Mendoza que tiene un diámetro de 2,10 m y una longitud de

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69,0 m. El de mayor tamaño se encuentra en una planta localizada en Barker (Pcia. de Bs. As.), tiene

un diámetro de 5,65 m y una longitud de 180 m; su capacidad de producción alcanza a 2000 ton/día

de clinker de cemento.

Actualmente el horno de mayor capacidad de producción es el N° 7 de la empresa Loma Negra,

ubicado a en Olavarría, que produce 2600 ton/día de clinker. La elevada producción se consigue

como consecuencia de que el horno cuenta, a la salida de los gases, con torres de precalentamiento

del material que ingresa y eleva su temperatura de entrada a 800°C.

10.1.3 Perfil de temperaturas del Horno Rotativo

En la Figura N° 2 se representan las temperaturas del horno en función de la longitud del mismo.

El caso presentado en el gráfico es para la calcinación de piedra caliza, en la producción de cal, para

un horno rotativo simple que no cuenta con precalentadores del material entrante.

Del gráfico se infiere que la temperatura del horno es del orden de los 1000°C en la zona más

caliente y decrece a 400 o 500°C en la zona de salida de los gases por la chimenea.

10.1.4 Dimensionamiento del Horno

Con el objeto de dimensionar el horno rotativo es necesario determinar, en función de las

condiciones operativas, la velocidad de alimentación del material; la velocidad de desplazamiento

del material en el horno; el volumen del horno ocupado por el material; la velocidad de rotación del

horno y la pendiente del horno.

La velocidad de alimentación del material esta dada por la masa de material horario entrado al horno

y se designará: G (kg/hora).

La velocidad de desplazamiento del material dentro del horno, es la que desarrolla el material desde

que ingresa hasta que sale del mismo y se designa con V(m/hr). A mayor velocidad de

desplazamiento, menor tiempo de permanencia de las partículas en el horno.

El horno funciona con un volumen de material muy inferior al volumen del horno, entre 3% y 12%

del mismo. A los efectos del dimensionamiento se define un parámetro denominado Retención:

R=Volumen de Piedras/Volumen del Horno. El valor más usual es R=0,10 (10%).

La velocidad de rotación del horno se mide en revoluciones por minuto, se designa N (r.p.m.).

La pendiente del Horno se mide como la relación entre la diferencia de alturas entre los extremos del

horno y la longitud del horno, se designa S (m/m).

En la Figura N° 3 se ubican los elementos citados, es decir: G, V, N, S y M (kg) que es la masa del

material que se encuentra dentro del horno. También se señala t (min), que es el tiempo de

permanencia del material dentro de horno y que se denomina tiempo de paso.

A continuación, se vincularán los elementos citados para llegar a expresiones que permitan

dimensionar un horno rotativo.

El Manual Técnico del Fabricante de Hornos Allis Chalmers da una expresión empírica para el

calculo del tiempo de paso t, la que se detalla seguidamente:

t(min.) = 1,77 x Ö q x L(pies) x f

N(r.p.m.) x D(pies) x S(°)

Donde:

q: Angulo de reposo del material

L: Longitud del horno

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f: Factor de forma del horno (para hornos cilíndricos f=1)

D: Diámetro interno del horno

S: Pendiente del horno

En el Manual del Ingeniero Químico de Perry, aparece una fórmula similar donde se han hecho las

reducciones de unidades correspondientes del sistema inglés al métrico. Además adopta un valor fijo

del ángulo de reposo, teniendo en cuenta que los materiales que se tratan en el horno rotativo tienen

ángulos de reposo comprendidos entre 35° y 40°. La expresión dada es la siguiente:

t(min.) = 0,19 x L(m)

N(r.p.m.) x D(m) x S(m/m)

Por otra parte, el tiempo de paso también se puede obtener si se conocen la masa de material que hay

en el horno y la velocidad de alimentación al horno, por la expresión:

t(min.) = 60 x M(kg.) (1)

G(kg./hr)

Si vinculamos los distintos elementos podremos obtener la velocidad de alimentación G, en función

de ellos de la siguiente manera:

R = Vol. Piedras = Vp

Vol. Horno = Vh

Vp = M /g (2)

g: Peso específico del material

de (1) y (2):

Vp = Gxt

60xg

R = G x t (3)

60xgxVh

Vh = sección del horno x Longitud del horno = Sh x L (4)

Reemplazando (4) en (3):

R = G x t (5)

60xgxShxL

Por otra parte: V(m/hr) = L(m) x 60 / t(min) (6)

Y reemplazando:

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R =G / g x Sh x V

G(kg/hr) = g(kg/m3) x R x Sh(m2) x V(m/hr)

10.1.5 Balance Térmico del Horno Rotativo

En el balance térmico del horno rotativo, de igual forma que en cualquier otro tipo de horno, se debe

establecer una igualdad de calores puestos en juego dentro del proceso. Es decir, que el calor que se

entrega al horno, al quemar el combustible, debe ser igual al que se consume en el proceso y las

pérdidas en el horno o que se llevan los gases que salen por la chimenea.

Seguidamente se plantearán las ecuaciones para el balance térmico del horno, aplicadas al caso de la

calcinación de piedra caliza para la obtención de cal.

Al horno se le entrega calor, quemando combustible en un quemador Q1. Dicho calor en parte se

utiliza para el proceso en el interior del horno Q2; otra parte se escapa por la chimenea, con los gases

calientes del horno Q3 y la otra parte se pierde por diversas fugas del horno y radiación del cuerpo

mismo Q4 (Figura N° 4).

Con éstos calores se establece la siguiente expresión:

Q1 = Q2 + Q3 + Q4

Donde :

Q1: calor entregado al horno.

Q2: calor utilizado en el horno para el calentamiento y la reacción química.

Q3: calor que se llevan los gases calientes que salen por la chimenea.

Q4: calor perdido por radiación y fugas en el horno.

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